張廣濤，程遠(yuǎn)楚，鄒吉林

（武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

HVDC孤島交流系統(tǒng)中水輪機(jī)調(diào)速器特殊問題分析

張廣濤，程遠(yuǎn)楚，鄒吉林

（武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

摘要：HVDC（High Voltage Direct Current）送端為巨型水電站或水電站群時，采用孤島運(yùn)行方式，可以避免HVDC系統(tǒng)故障時對附近交流大電網(wǎng)穩(wěn)定的不利影響，但在采用孤島方式運(yùn)行的情況下，一旦發(fā)生故障導(dǎo)致極閉鎖引起輸送功率大幅跌落，將會出現(xiàn)關(guān)于水輪機(jī)調(diào)速器控制的新問題。本文指出HVDC孤島水電交流系統(tǒng)的特殊性和研究意義，然后結(jié)合云廣直流工程實(shí)例，討論與分析了HVDC極閉鎖故障下水電孤島系統(tǒng)調(diào)速控制中的特殊問題。

關(guān)鍵詞：HVDC；孤島；水輪機(jī)調(diào)速器；電動機(jī)運(yùn)行

0　引言

HVDC送端為巨型水電站或水電站群時，采用孤島運(yùn)行方式，可以避免HVDC系統(tǒng)故障時對附近交流大電網(wǎng)穩(wěn)定的不利影響，該孤島系統(tǒng)可稱直流孤島水電系統(tǒng)。目前，電力系統(tǒng)中孤島運(yùn)行主要用于由微型水電、風(fēng)電、光電、柴油發(fā)電機(jī)組等電源構(gòu)成的分布式發(fā)電系統(tǒng)，具體指一組由旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)連接或電能經(jīng)逆變器間接與電網(wǎng)連接的分布式發(fā)電系統(tǒng)，及電網(wǎng)的一小部分與主電網(wǎng)斷開電氣連接，并在帶電狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行的工作模式[1-3]。對孤島運(yùn)行的研究，主要集中在小容量分布式旋轉(zhuǎn)發(fā)電接入電網(wǎng)和逆變器接入電網(wǎng)兩種類型發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)入孤島后的監(jiān)測、保護(hù)、重聯(lián)網(wǎng)等問題。目的為盡量延長孤島系統(tǒng)對用戶的供電時間，降低停電范圍，提高對用戶供電的連續(xù)性和可靠性。然而，出于保護(hù)大機(jī)組特別是火電、核電機(jī)組的目的，大容量發(fā)電機(jī)組孤島運(yùn)行模式在以往的電力系統(tǒng)運(yùn)行中比較罕見且一般禁止出現(xiàn)，對可能的大停電發(fā)生前的計(jì)劃解列控制，有一定研究，但對大容量機(jī)組組成的孤島系統(tǒng)的運(yùn)行控制，缺乏研究。隨著我國西部水電的大力開發(fā)，送端巨型電站或電站群通過遠(yuǎn)距離大容量HVDC輸電至受端強(qiáng)交流電網(wǎng)的系統(tǒng)將越來越多，對其控制與調(diào)節(jié)的特殊性應(yīng)引起關(guān)注，并開展相應(yīng)的研究。

1　HVDC孤島交流系統(tǒng)

HVDC送端電源工作于孤島運(yùn)行方式，一般有兩種情況。1）設(shè)計(jì)孤島運(yùn)行情況：HVDC送端為巨型水電站或水電站群，且電能輸送目的地為遠(yuǎn)方城市時，若作為HVDC送端電源的大電站連接到附近交流大電網(wǎng)，則當(dāng)HVDC系統(tǒng)故障時會對附近交流大電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響，需要限制HVDC輸送容量來降低這種影響。為充分利用HVDC輸電能力，節(jié)約珍貴輸電走廊資源，有很多“送端巨型電站或電站群-遠(yuǎn)距離大容量HVDC-受端強(qiáng)交流電網(wǎng)”類型的電力系統(tǒng)采用送端正常運(yùn)行工況為孤島運(yùn)行方式[4-9]。2）故障導(dǎo)致孤島運(yùn)行情況:即正常運(yùn)行時送端電源與附近交流大電網(wǎng)有聯(lián)絡(luò)線連接，在聯(lián)絡(luò)線故障切除后被迫進(jìn)入送端孤島運(yùn)行方式。以上兩種情況使得任何“送端巨型電站或電站群-遠(yuǎn)距離大容量HVDC-受端強(qiáng)交流電網(wǎng)”類型的電網(wǎng)送端交流系統(tǒng)均可能運(yùn)行于孤島方式，因此，研究HVDC送端電源孤島運(yùn)行控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

中國云廣直流輸電工程（以下簡稱云廣直流）是中國第一條設(shè)計(jì)采用送端孤島運(yùn)行方式的LCC HVDC系統(tǒng)，為典型的“送端巨型電站或電站群-遠(yuǎn)距離大容量HVDC-受端強(qiáng)交流電網(wǎng)”型電力系統(tǒng)。系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)送端為孤島水電交流系統(tǒng)，由小灣水電站（6臺機(jī)×700MW額定出力/臺機(jī)）和金安橋水電站（4臺機(jī)×600MW額定出力/臺機(jī)）等兩個巨型水電站組成，經(jīng)遠(yuǎn)距離（高達(dá)1 418 km）大容量（額定輸送功率5 000MW）HVDC送至遠(yuǎn)方的廣東交流電網(wǎng)負(fù)荷中心[10]。小灣水電站經(jīng)三回500 kV交流線路連接楚雄換流站，包括兩回長248 km的連接至楚雄換流站的500 kV交流線路和一回經(jīng)長234 km的小和線（小灣-和平交流變電站）與長14 km的和楚線（和平變電站-楚雄換流站）連接到楚雄換流站的500 kV交流線路。金安橋水電站經(jīng)金楚甲與金楚乙兩回長299 km的500 kV交流線路接入楚雄換流站；楚雄換流站經(jīng)長1 418 km，額定電壓為±800 kV的雙極直流輸電線路連接到位于廣東增城的穗東換流站；兩端換流站均采用雙12脈動換流閥[11]。和平變電站為送端電源與附近交流大電網(wǎng)接入口，在和平變電站切除楚雄-和平，和小灣-和平聯(lián)絡(luò)線后，送端系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行，否則送端系統(tǒng)為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。前期研究表明，送端采用孤島運(yùn)行方式時，可在不增加設(shè)備投資情況下，提高1000MW的HVDC穩(wěn)定功率輸送容量，并可大大降低直流故障時對送端交流電網(wǎng)的不利影響[10]，因此，該系統(tǒng)送端孤島運(yùn)行被設(shè)計(jì)為主要運(yùn)行方式之一。

圖1云廣直流送端水電孤島系統(tǒng)示意圖

2　直流孤島系統(tǒng)有功與頻率調(diào)節(jié)

HVDC送端孤島運(yùn)行時，因送端孤島交流系統(tǒng)一般主要由巨型電站或電站群構(gòu)成，所帶本地負(fù)荷基本為廠用電，送端交流系統(tǒng)較弱。系統(tǒng)頻率有功控制只能依靠該弱交流系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組調(diào)速器頻率調(diào)節(jié)及HVDC附加頻率調(diào)節(jié)，難以獲取大電網(wǎng)情況下遠(yuǎn)方機(jī)組的直接功率支持。HVDC附加頻率調(diào)節(jié)主要依靠改變可調(diào)直流功率范圍內(nèi)的有功輸送來輔助調(diào)節(jié)送端交流系統(tǒng)頻率[12-14]。直流孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)時，主要根據(jù)調(diào)度指令或計(jì)劃調(diào)整直流輸送功率和送端機(jī)組輸出功率；當(dāng)由于某些原因?qū)е孪到y(tǒng)頻率波動超出正常范圍時，將會引起系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。在正常情況下，調(diào)速器的頻率調(diào)節(jié)死區(qū)△2設(shè)置為大于HVDC附加頻率控制區(qū)的調(diào)節(jié)死區(qū)△1，當(dāng)交流系統(tǒng)頻率波動小于△1時，HVDC附加控制與調(diào)速器均不參于調(diào)節(jié)；當(dāng)交流系統(tǒng)頻率波動大于△1時，在直流輸電附加頻率，調(diào)節(jié)起作用范圍內(nèi)，通過頻率偏差調(diào)整直流輸送功率實(shí)現(xiàn)對孤島交流系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)；當(dāng)頻率偏差超過調(diào)速器調(diào)節(jié)死區(qū)△2時，水輪機(jī)調(diào)速器通過頻差調(diào)整水電機(jī)組有功輸出來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。

正常調(diào)節(jié)時，主要依靠HVDC附加頻率控制，調(diào)節(jié)速度快，具有較好的調(diào)節(jié)性能。而當(dāng)HVDC遇故障導(dǎo)致極閉鎖時，會使可調(diào)直流功率范圍縮小，其調(diào)節(jié)能力將大大降低，此時，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)主要依賴于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。巨型水電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有大延時、非最小相位、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，基于并聯(lián)PID結(jié)構(gòu)的微機(jī)調(diào)速器在強(qiáng)交流電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行得到了廣泛應(yīng)用[15-16]，但其在弱交流系統(tǒng)內(nèi)的頻率控制性能，因以往運(yùn)用較少而很少引起關(guān)注。對于大機(jī)組孤島這樣的大機(jī)小網(wǎng)，其運(yùn)行特性與控制策略應(yīng)有別于大機(jī)大網(wǎng)或小機(jī)小網(wǎng)，需開展專門研究。

3　直流孤島水電系統(tǒng)水輪機(jī)調(diào)速器特殊問題分析

云廣直流系統(tǒng)從運(yùn)行初期就開始進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)試，采用調(diào)速器和帶直流附加頻率控制條件下，直流輸送功率因故障而大幅跌落（如直流極閉鎖后），孤島交流系統(tǒng)出現(xiàn)如下問題：

雙極閉鎖或單極閉鎖后，部分機(jī)組進(jìn)入電動機(jī)調(diào)相狀態(tài)，部分機(jī)組進(jìn)入發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)。

如在云廣直流運(yùn)行初期，因金安橋電站投產(chǎn)發(fā)電時間較晚，所以先進(jìn)行了僅帶小灣電廠的極閉鎖試驗(yàn)，表1為某次雙極閉鎖試驗(yàn)的部分結(jié)果。試驗(yàn)機(jī)組包括小灣電廠3號~6號機(jī)組，箭頭前的數(shù)據(jù)為雙極閉鎖前各機(jī)組相應(yīng)變量的穩(wěn)態(tài)值，箭頭后數(shù)據(jù)為雙極閉鎖后各機(jī)組相應(yīng)變量的穩(wěn)態(tài)值。

表1雙極閉鎖前機(jī)組狀態(tài)

系統(tǒng)初始運(yùn)行于孤島運(yùn)行方式，3號與4號機(jī)組導(dǎo)葉開度穩(wěn)定在60%左右，帶390MW左右有功負(fù)荷；5號與6號機(jī)組導(dǎo)葉開度穩(wěn)定在36%左右，帶145MW左右負(fù)荷。雙極閉鎖后，因孤島交流系統(tǒng)頻率升高至50.56Hz，引起高周切機(jī)保護(hù)動作，將3號機(jī)組切除，進(jìn)入空載態(tài)運(yùn)行；5號機(jī)和6號機(jī)穩(wěn)定到電動機(jī)狀態(tài)，分別從孤島交流系統(tǒng)吸收近50MW有功，導(dǎo)葉被關(guān)至全關(guān)狀態(tài)，水輪機(jī)運(yùn)行于制動或反水泵工況；4號機(jī)組則承擔(dān)起由4號、5號、6號三臺機(jī)組組成的小孤島交流系統(tǒng)的電能供給任務(wù)，以32.2%的導(dǎo)葉開度，帶120MW有功，系統(tǒng)在該有功和導(dǎo)葉開度下達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，頻率穩(wěn)定到50.06Hz。

而當(dāng)兩站10機(jī)組同時運(yùn)行帶5 000MW的雙極閉鎖試驗(yàn)時，金安橋電站機(jī)組將進(jìn)入調(diào)相運(yùn)行，而小灣電站機(jī)組則進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行工況。

出現(xiàn)上述問題的原因是：當(dāng)出現(xiàn)雙極閉鎖時，相當(dāng)于所有并聯(lián)在孤島交流系統(tǒng)中的機(jī)組同時甩負(fù)荷，隨著機(jī)組頻率的上升，調(diào)速器會快速關(guān)閉導(dǎo)葉，以抑制頻率的上升。鑒于在調(diào)速器參與下的交流系統(tǒng)，經(jīng)受功率沖擊如雙極閉鎖對直流送端孤島系統(tǒng)效果近似為負(fù)荷突然降為0，穩(wěn)定后有。各機(jī)組將在各自調(diào)速器作用下按照系統(tǒng)頻差進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于孤島交流系統(tǒng)中每臺機(jī)組調(diào)速器可能具有各自不同的速度特性，且閉鎖前的各機(jī)組的運(yùn)行工況可能存在差異。當(dāng)出現(xiàn)極閉鎖故障時，各機(jī)組以各自的速度關(guān)閉導(dǎo)葉，對不采用附加控制的情況，在相同的頻率差下，調(diào)節(jié)較快的機(jī)組或帶負(fù)荷較少的一批機(jī)組在所有機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)至最小前會將導(dǎo)葉開度關(guān)至最小值如全關(guān)，如表1中的5號、6號機(jī)，而調(diào)節(jié)慢或負(fù)載跌落前帶負(fù)荷較多的機(jī)組則可能在有功降低一部分后，系統(tǒng)頻差縮小而使所有機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)停止調(diào)節(jié)，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)成為：調(diào)節(jié)快或帶負(fù)荷少的機(jī)組運(yùn)行在電動機(jī)調(diào)相態(tài)<0，而調(diào)節(jié)慢或帶負(fù)荷多的機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電態(tài)>0。

孤島交流系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行于調(diào)相工況時，同步電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行，將消耗一定有功，為維持系統(tǒng)穩(wěn)定必然有更多的有功被發(fā)電機(jī)運(yùn)行的機(jī)組發(fā)出，長時間運(yùn)行將浪費(fèi)寶貴水能源。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在調(diào)相模式，轉(zhuǎn)輪浸沒在導(dǎo)葉全關(guān)或極小開度的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)運(yùn)行在制動或反水泵工況，水流被打在小開度甚至關(guān)閉的導(dǎo)葉上，會引起機(jī)組的水力振動，降低機(jī)組壽命甚至造成安全事故。此外，當(dāng)孤島交流系統(tǒng)有機(jī)組運(yùn)行于調(diào)相工況時，相比運(yùn)行于空載或帶負(fù)荷狀態(tài)，將會降低直流系統(tǒng)故障自動重啟后自動增加負(fù)荷速度，因調(diào)相運(yùn)行的機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉開度很小甚至全關(guān)且巨型機(jī)組慣性巨大，將處于調(diào)相狀態(tài)運(yùn)行的機(jī)組增負(fù)荷到一定值，相比空載或已帶負(fù)荷機(jī)組，需要更多時間，對直流故障重啟恢復(fù)不利，甚至可能導(dǎo)致因不能在規(guī)定時間內(nèi)帶上規(guī)定負(fù)荷而自動重啟失敗。

在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)采取相應(yīng)措施避免機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)相狀態(tài)，一種最簡單的辦法是當(dāng)孤島直流停運(yùn)事件發(fā)生時，通過強(qiáng)制調(diào)速器控制開度輸出到某一整定值并持續(xù)某一定時間。但該方法的缺陷是整定較為困難，不能適應(yīng)運(yùn)行工況的變化，不同工況的實(shí)現(xiàn)效果差異較大。

極閉鎖故障后孤島交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏高。

金安橋和小灣調(diào)速器控制框圖基本相同，都為有差特性的PID控制器。如圖2為云廣直流中金安橋電站水輪機(jī)調(diào)速器控制框圖。

圖2金安橋水輪機(jī)調(diào)速器控制框圖

交流系統(tǒng)的頻率將高于50 Hz。故障丟棄的負(fù)荷越多，交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻差就越大。

對于雙極閉鎖，相當(dāng)于所有機(jī)組同時甩負(fù)荷，此時調(diào)速器接收到雙極閉鎖或直流停運(yùn)信號后，可將開度給定置為空載值，使交流系統(tǒng)頻率恢復(fù)50 Hz。但對于單極閉鎖，顯然情況不同。由于單極閉鎖時只甩掉了一半的負(fù)荷，故障瞬間，系統(tǒng)頻率升高，一方面，HVDC的FLC將增加直流系統(tǒng)輸送功率以達(dá)到功率平衡；另一方面，調(diào)速器會關(guān)小導(dǎo)葉以減小原動機(jī)力矩。此時，開度給定應(yīng)調(diào)整的幅度與故障前的直流系統(tǒng)輸送功率密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)行開度協(xié)調(diào)控制研究。

圖3和圖4分別是直流5 000MW雙極閉鎖和單極閉鎖時小灣電站1號機(jī)與金安橋電站1號機(jī)的頻率、力矩與功率曲線。

圖3直流5 000MW雙極閉鎖試驗(yàn)波形

圖4直流5 000MW單極閉鎖試驗(yàn)波形

上述兩個主要問題會引起其它問題，如雙極閉鎖或單極閉鎖后的孤島交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率過高，不利于直流故障自動重啟，甚至可能因頻率超過直流系統(tǒng)整流頻率某限值，導(dǎo)致雙極閉鎖重啟失敗，或單極閉鎖故障加劇為雙極閉鎖；孤島交流系統(tǒng)雙極閉鎖或單極閉鎖后穩(wěn)態(tài)頻率過高，不利于孤島交流系統(tǒng)緊急情況下并入當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)的并網(wǎng)操作，可能導(dǎo)致無法自動并入當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)，從而不能發(fā)揮直流故障下利用當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)輸送部分電能功能運(yùn)用，豐水期造成電能無法外送棄水浪費(fèi)能源，或當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)需要支援而無法并網(wǎng)提供支援等。

4　結(jié)論

本文總結(jié)提煉了直流孤島水電系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的關(guān)于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題，即極閉鎖后部分機(jī)組穩(wěn)定到電動機(jī)調(diào)相運(yùn)行，和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率過高問題，指出該問題對電力系統(tǒng)運(yùn)行特別是對水電機(jī)組運(yùn)行的重大影響，并給出了初步的分析和處理。

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中圖分類號：TM712

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0056-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.016

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：張廣濤（1987-），男，博士研究生，研究方向：水電機(jī)組過渡過程控制與仿真，機(jī)電耦合過渡過程研究。